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核心素养视域下的生物学观念:内涵、价值、内容体系及教学

时间:2018-05-07  来源:《课程。教材。教法》2017年09期   作者:张秀红   点击:

核心素养视域下的生物学观念:内涵、价值、内容体系及教学

重视学生核心素养的发展是当今世界教育改革的共同趋势,也是我国当前深化基础教育改革的热点。根据“中国学生发展核心素养”课题组2016年公布的研究成果,学生发展核心素养是指学生应具备的,能够适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。核心素养目标的实现,需要依托各学科教学来共同努力实施。高中各学科课程标准修订过程中,都研究和探索了自身的学科核心素养。科学课程领域各学科的核心素养主要包括科学观念、科学思维、科学探究与实践、科学态度与责任等方面,其中科学观念是形成其他素养的重要基础。中学生物学课程作为科学领域的一门学科课程,让学生形成生物学观念,是发展生物学核心素养不可或缺的。对生物学观念内涵和内容体系等问题的研究,将生物学核心素养转化为具体、可感知的教学目标,有利于实现中学生物学课程在发展学生核心素养中的独特育人价值。

素养是内在的,是从人的视角来界定教育的目标。因此,核心素养视域下生物学观念的研究,不能仅站在学科的角度,将生物学观念看作静态的、客体化的学科知识,而是要考虑学生发展的需要,挖掘知识背后核心、深层次的教育价值,引导学生理解生命的本质、理解生物学,为形成必备品格和关键能力奠定基础。本文从核心素养的视角出发,对生物学观念的内涵、价值、内容体系等方面进行深入探讨,并就生物学观念的教学提出一些建议。

一、生物学观念的内涵和教育价值

观念是客观事物在人脑中反映的一种高级形式,是构成科学理论的基础与核心,也是理论指导实践最具体的原则。观念不同于概念。首先,概念作为思维抽象的产物,往往反映一类事物的本质属性。观念是在众多概念的基础上,通过抽象、推理等思维过程,升华为对事物更全面、更本质、更深刻的认识。观念作为知识的最高形式,其本质是概念充分发展的形式。从这一点来看,观念与国外教育研究中提到的“大概念”(BigIdea)具有很大的一致性,都体现了对学科知识、方法等的概括性认识。其次,概念一般回答客观世界“是什么”和“为什么”的问题,是关于客观世界的知识。观念还可以回答人对客观世界“怎么做”的问题,它和人的社会行动直接联系,具有明确的价值方向。

生物学观念是生物学概念和规律等在人们头脑中的提炼和升华,是人们对生命的本质和生物学学科本质的整体理解和认识,表现为能够从生物学的视角解释自然现象、认识自然规律、解决实际问题。生物学的研究对象是有机体。与非生命的物质存在方式相比,生命的特殊性在于生命个体和物种在结构与功能、存在与发展及演化方式上的复杂性、组织性、历史性和多样性等。因此,相对于传统的以经典物理学为核心的科学观念,生物学观念为人类认识自然界提供了一种新的观念体系。

生物学观念具有持久的理解力,是学生在忘记了具体的学科事实后仍然在头脑中剩下的东西,也被称为“可以带回家的信息”,可以在复杂的真实情境中迁移运用。生物学观念是可教、可学的,它形成的关键是分析与综合、抽象与概括等理性思维。而且,生物学观念的形成是一个渐进的过程,具有阶段性和终身性。通过中学生物学课程的学习,学生对生物学观念内涵的理解逐渐丰富,最终养成从生物学视角看待问题的思维习惯,形成对生命世界的基本看法和态度。生物学观念的价值不在于为生命过程中的种种问题提供确切的答案,而是为我们获取答案提供思维的方向,并克服具体的观察和实验的局限性,直接透视生命的整体本质。研究和学习生命科学的人只有通过观念的滋养,才能形成对生命科学不同层次、不同领域知识的统一理解。生物学观念的构建有利于促进学生形成科学的自然观、世界观和价值观。

二、提炼生物学观念的基本思路

我国现行高中和义务教育阶段生物学课程标准,对生物学观念的内容体系都没有系统表述。以往的研究,少见对生物学观念进行系统梳理,也少见对生物学观念具体内涵的界定。因此,在中学生物学课程中开展基于观念的教学,首要问题就是构建生物学观念的内容体系。核心素养视域下生物学观念的提炼既要体现核心素养基础和关键的特点,也要彰显学科特色。具体而言,生物学观念的提炼应该主要考虑以下几个方面。

首先,要将中学生物学课程在发展学生核心素养中的价值和基本任务,作为提炼生物学观念的出发点和落脚点。通过中学生物学课程的学习,学生一方面在建构概念的基础上理解生命,从而更好地理解自然界,另一方面又要参与科学探究和技术实践活动,建立对生物学的理解,从而更好地理解科学的本质,养成良好的科学态度和精神。因此,生物学观念的提炼应紧紧围绕学生对生命和生物学的理解这一范畴,既要关注生命观念,也要关注科学本质观。

第二,生物学观念的提炼要基于学科核心概念。生物学观念并非空中楼阁,而是以核心概念为基石。生物学是一个内容丰富的概念体系,中学生物学课程的核心概念主要包括细胞、新陈代谢、稳态与调节、遗传与变异、进化与适应、生态系统、生物多样性等。学生要理解生命的本质,首先要理解以上核心概念。因此,生物学观念的提炼需要以生物学的核心概念为基础,建立生物学的深层结构。同时,由于科学是一个整体,学科之间存在着相互关联和交叉,必然会存在一些通用概念,如系统、结构与功能等,这些通用概念与生物学概念具有广泛的联系,有利于学生更好地理解生命、理解生物学和科学,所以,生物学观念的提炼也要关注科学通用概念。

最后,生物学观念的提炼还应从生命科学哲学的视角出发。生命科学哲学是研究生命的本质、生物学的理论、思想和方法等问题的哲学学科。历史上生物哲学家们关于生物学在科学中的地位、生物学的社会责任、生命的本质和价值等问题的讨论,可以为我们理解生命的本质、提炼生物学观念提供参考。

三、生物学观念的内容体系

生物学研究对象的独特性、复杂性和多样性,决定了生物学观念的丰富性和独特性。依据上述提炼生物学观念的基本思路,我们认为,生物学观念包括生物学本质观和生命观念两大组成部分。生物学本质观指向对生物学的理解,为学生进一步理解科学的本质、科学研究的思路和方法,养成科学的态度和精神打下基础;生命观念则指向对生命的理解,由生命的物质观、能量观、信息观、进化观、生态观和系统观组成。

(一)生物学本质观

中学生物学课程不仅要帮助学生学习用于解释生命世界的概念和理论,还要帮助学生学习关于生物学的知识,形成生物学本质观。生物学本质观是科学本质观的重要组成,主要包括对生物学知识、生物学中科学探究和生物学学科价值的认识。

生物学本质上是一门自然科学,具备自然科学的一般属性,生物学本质观反映了科学本质观。生物学是人们在研究生命世界的过程中逐渐积累形成的知识体系,它是主观的、相对稳定的、可证伪的和建构性的。生物学知识只是人们在一定阶段对生命现象和生命活动规律的认识。作为一个开放的体系,生物学知识会在新的证据下不断被修正。生物学还包括人们认识生命的思维方式和科学探究的过程。科学发现需要逻辑与批判性思维、创造性思维的结合。合理的怀疑是科学探究的持续动力,理论指导下的观察和实验是科学探究获得证据的主要方式。但是,科学探究中并不存在万能的、一成不变的科学方法。在科学探究的过程中,人们要重视实证,尽量避免主观因素带来的偏见。另外,生物学与人类的生活息息相关,生物学知识运用于技术和工程,对人类社会的经济、政治和环境产生深刻的影响,这种影响需要在伦理和道德上作出判断。

仅仅强调生物学自然科学的属性并不能完全反映出生物学的本质,生物学还有其独特的学科特点。与物理学不同,生物学概念多是观察、比较和归纳的结果,但是,运用归纳和概括注定无法穷尽复杂多样的生命世界。因此,通过不完全归纳获得的生物学概念和规律大都是概率性的,常有例外存在。生物学绝大多数的进展都表现为引入新概念或发展现存概念,而不是发现新的规律。生命系统是一个复杂的巨系统,生物界的问题往往很难用线性的因果关系去推论。因此,生物学研究需要对生命活动展开多因素、多角度的分析,在运用形式逻辑思维的同时,也要注重从辩证的角度去思考问题。另外,考虑到生命有机体的历史性本质,生物学在研究方法上注重历史考察法与观察、实验等方法的综合运用。生物学在解决人口、资源问题等方面有独特的优势;生物学中的人既是研究者,又是研究对象,因而生物技术往往会给社会带来一系列伦理和道德问题,这就要求生物学家在研究过程中尤其要注意遵守社会伦理和道德规范。

对生物学知识的认识,有利于学生树立实证意识和严谨的求知态度,能够用发展和辩证的眼光看待已有的生物学结论,形成理性的怀疑精神。对生物学中探究本质的认识,可以促进学生的理性思维,培养勇于探究、批判质疑的科学精神。对生物学学科价值的认识,可以促使学生理智地看待生物科学和技术,积极主动地运用生物学知识解决现实中的问题,树立社会责任。总之,中学生物学课程应当使学生形成生物学本质观,这对学生发展生物学核心素养具有重要的意义。

(二)生命观念

生物学知识体系的核心指向是理解生命。生命观念是生物学知识体系的核心,是人们在对生物学概念深度理解的基础上形成的对生命本质的理解,所以也是生物学观念的基本组成。观念是思维的产物,而思维总是指向具体的问题,所以,观念和问题总是密切相连的。理解生命的本质包括理解“生命是什么”“生命活动怎样进行”“生命为什么会这样”等基本问题。生命观念处于解释这些问题的核心位置。生命观念的形成关系到学生如何认识生命,包括认识和对待自我,以及纷繁复杂的生命世界。

生命是物质运动的高级形式,在整个生命运动的过程中,生物体内部及其与外部环境之间,贯穿着物质、能量和信息的交换。生命活动是高度有序的,物质的运动在时间维度上表现为进化,在空间维度上表现为有序的生态系统。系统科学思维下的生命本质观认为,生命是一个多层次、开放的复杂系统,具有自我更新、自我调节、自我复制和对内、外环境作出选择性反应的属性。综合起来,我们认为生命观念主要包括生命的物质观、能量观、信息观、进化观、生态观和系统观。具体内涵如下。

1.生命的物质观

生命是从无生命的物质发展而来的,组成生物体的元素并无特殊之处,都普遍存在于自然界;同时,生物体又是由性质特殊的大分子组成的。相对于无机小分子,生物大分子的结构更加复杂,并能执行独特的功能。例如,酶是代谢反应的催化剂,核酸是遗传信息的携带者,这些都是生命活动所特有的。只有这些生物大分子和其他必要的分子,如水和无机盐等,组合形成具有一定结构的细胞时,自然界才出现了完整的生命。学生对生命的物质性和生命化学组成上的独特性学习,有利于他们树立辩证唯物主义自然观。

在生命系统中,物质的运动和变化是一切生命活动的基础。生命是物质运动的最高形式,生命系统的各个层次都按照一定的方式永恒地运动着。在分子层面上,各种核苷酸不仅是组成核酸的基本单位,也参与构成辅酶、ATP等,可以通过新陈代谢在不同的大分子之间转换;在个体层面上,生长、发育、衰老、死亡也是物质运动的过程;在生态系统层面上,物质的运动一直处于从无机环境进入生物群落,又从生物群落返回无机环境的循环之中。生命系统的物质运动体现了自然界事物的普遍联系和从量变到质变的辩证规律,有助于学生运用发展的眼光看待世界。

2.生命的能量观

能量和物质运动紧密联系,任何运动都需要能量,生命系统也需要能量的驱动。根据热力学第二定律,物质运动总是朝着使系统结构更混乱、无序的方向变化,即系统的“熵”越来越大。生命系统是一个复杂的、由化学反应导致的耗散结构,是一个开放的系统,它与外界环境时刻保持着物质和能量的交换,从而引入“负熵”,“维持”生命系统的有序性。

生命系统的各个层次都有能量的流动和转换。例如,绿色植物通过光合作用将捕获的光能转化为化学能,贮存在有机分子中;生态系统中的能量从一个营养级流入下一个营养级。生命系统的物质运动也遵循能量守恒定律,能量不会凭空地产生或消亡。生命活动总体上是消耗能量的,因此可以说生物个体之间的斗争,归根结底是能量的竞争。这些都体现了生命活动中物质和能量的统一。对生命的能量本质的认识,有助于学生深入地理解进化、稳态和平衡等生命现象,理性地认识能源的合理利用、人与自然的关系。

3.生命的信息观

生命活动不仅表现为物质循环和能量流动,还表现为信息传递,生命是物质、能量和信息的统一体。生命的信息观不仅把生命看作是物质运动的特殊形式,还看作是物质运动的组织形式,体现出生命的组织性。遗传信息、生理信息和神经感知信息共同组成了生命的信息系统。相对于无机界的信息而言,它们可以按照生命自身的运动规律组织物质运动,从而实现生命的自组织、自复制和自适应。

信息本质上不是物质或能量,但是信息的传递、复制、加工和保存都要以物质为载体,并消耗能量。物质载体的结构不同,表达的信息也不相同。例如,DNA四种碱基的不同排列组合代表着不同的遗传信息。相同的信息在生命系统中也可能表现为不同的形式。例如,神经系统对某一刺激的传递有时表现为电位差,有时表现为某种化学物质的浓度,但是它们传递的始终是同一个信息。信息表征生命系统的有序性,决定生命系统发展的方向。从时间维度上看,它在生物进化过程中起着重要的调控作用,进化本质上就是生物遗传信息的变化;从空间维度上看,生命系统的多个层次及层次之间都存在信息传递

相对于以往强调生命的物质和能量变化的生命本质观,生命的信息观强调信息传递在生物的生长、繁殖和进化中的作用,是从更广泛的意义上理解生命。因此,学生对生命的信息本质的认

识,有助于他们进一步理解生命的多样性和统一性的辩证关系。生命信息可以在不同的载体之间转移的特性,也使学生对人工智能或人工生命等有更深刻的思考。

4.生命的进化观

进化观是生命观念的核心,生物的多样性、生存和灭绝等都是进化的结果,正如迈尔所言:“如果不考虑进化的话,生物学中任何问题都无法获得圆满的解决。”进化观的主要内容包括以下几个方面。

生物不是神造的,地球上的生物体可以溯源至一个共同的祖先,所有的生物之间都有亲缘关系,生物进化是由同一个祖先发展成为现在地球上各式各样生物的过程。进化观解释了生物界统一性和多样性的矛盾,统一性源于他们的共同祖先,多样性则是物种对环境的适应和种族谱系分化的结果。

现代生物进化论的核心观点是自然选择学说。物种的遗传与变异会产生具有一系列性状的个体,自然选择可能导致某些遗传性状在群体中占优势,让某些能更好地适应某种环境的性状保留下来。只有群体中出现的性状差异影响了生存和繁殖,自然选择才会发生。不过,自然选择并不一定导致机体长期沿着一个固定的方向发展。

适应是进化的结果。一般来说,适应包含两方面的含义:一是生命系统各层次的结构都适应于一定功能的实现;二是生物的结构及其相关的功能或行为习性适应于该生物在一定环境条件下的生存和延续。因此,进化可以表现为分子的进化、物种的进化、生态系统的进化,也表现为生物对环境的适应。

进化观具有对生命现象“终极原因”的解释力,为人们认识生命世界奠定了基础。进化观的形成有助于学生理解生命系统的多样性和统一性、量变和质变的辩证关系,有助于学生从历史

的视角看待生命,并运用历史的方法解决问题,进而建立历史唯物主义的世界观。进化观具有浓厚的人文色彩,它的意义远远超出了生物学的范畴,对学生合理认识个人的发展、社会的进步、人类的未来等都具有重要意义。

5.生命的生态观

生态观是人们对于包括人类在内的生态系统运动规律的基本认识。生态系统是生物与环境组成的自然系统,生物与环境是一个整体。生态系统的整体性是生态观的核心内容。构成生态系统的生物体和无机环境等各种要素都以一定的方式相互联系、相互作用,并且遵循一定的规律运动,每个要素在维持系统的正常功能中都不可或缺,并具有特殊的意义。这些都显示出生态系统是协调统一的整体。生态系统内存在复杂的相互作用,表现为生物与生物的竞争与合作、生物对环境的影响和适应等。生态系统内复杂的相互作用,可以使个体、种群、群落和生态系统各个层次保持较长时期的相对稳定。

随着科学技术的发展,生态观已经超越了生命科学的范畴,具有一般的世界观和方法论的意义。在生态观的认识中,人类社会被看作社会、经济、自然复合而成的复杂系统,人、自然和社会等要素协调有序,组成紧密相连不可分割的整体。人作为生态系统的重要组成,又可以能动地参与生态系统的改造过程。在认识和解决有关人、自然和社会相互作用的实际问题时,必须把人与环境视为一个有机的整体,辩证地看待个体与群体、局部与整体的关系。生态观是学生形成可持续发展观的基础,对于学生形成适应社会的必备品格是不可或缺的。

6.生命的系统观

自然界的任何事物普遍以系统的形式存在,生命系统是比物理系统更为复杂的系统,有其独特的规律。

生命系统中的物质具有层次性,表现为从分子到生物圈的有序级联结构。其中,细胞是生物体结构与功能的基本单位。

生命系统具有整体性。生命系统同一层次内各组成要素之间存在着复杂的相互作用,表现为一定的结构。例如,碳、氢、氧三种元素组成了结构各异的多种糖类。系统的功能取决于它的结

构,结构与功能相适应。生命系统高层次的功能或性质并非低层次的简单累加,高层次生命系统会“突现”出新性质,整体大于部分之和。

生命系统具有群体性。生命系统是由许多个体组成的群体,群体中每个个体都有其独特性。同时,不同的个体又相互配合,共同实现系统的功能。例如,蜜蜂群体中的蜂王、雄蜂和工蜂各司其职,但都不可或缺。对于人类而言,个体的独特价值也要在社会活动中得以实现。对生命系统群体性和个体性的理解,有助于学生形成敬业奉献精神和团队意识,具有责任担当。

生命系统具有相对的稳定性。生命系统依靠自身精巧的反馈机制维持动态平衡,也称为稳态。生命系统的不同层次都存在稳态现象。例如,高等生物通过一定的调节和保护机制使机体保持稳态,适应环境的变化,从而保证生命活动的正常进行,在群体水平上则表现为生态系统的自动调节。因此,可以说稳态是生命系统能够正常运行的必要条件。生命系统通过调节机制使外部环境对系统的干扰保持在一定范围内,维持系统的协调稳定。随着系统从低级到高级、从简单到复杂,系统的自我调节能力也会不断提高。

系统观揭示了生物体局部与整体、结构与功能、稳态与动态等辩证关系,有助于学生更好地理解自然界的组织层次和等级体系,认识到自然界是一个纵横交错的复杂系统。生命系统观的建立还有利于学生形成整体式思维,避免孤立、片面地看待自然界的问题。

生命观念各组成部分之间并非彼此孤立,而是相互交叉,相互渗透,构成了对生命本质认识的全貌。物质观认为所有的生命活动本质上都是物质运动,都符合物质运动的基本规律。这是生物学研究的基础,也是理解其他生命观念的前提。系统观认为生命系统是一个统一的整体,对生命系统的层次性、有序性、动态性、整体性的认识,有助于学生建立对生命的物质观、能量观、信息观的统一认识,也是学生深入理解进化观和生态观的基础。进化观和生态观分别从时间和空间维度上解释了生命系统运动的过程和规律,是最核心也最具学科特色的生命观念。生命观念可以统领对生命本质属性的认识,有利于学生从系统、历史等多个视角看待生命世界,提升生物学理解力,更重要的是,可以迁移到对社会和人生的认识上来,对个人终身发展和适应社会需要意义重大。

总之,核心素养视域下的生物学观念立足学生的发展,关注学生对生物学和生命本质的认识,体现了从学科本位到以人为本的转变。建立生物学观念是学生学以致用的关键,对学生科学思维的形成和内在品质的提高都具有重要意义。

四、生物学观念的教学

生物学观念不仅在学科中非常重要,也是培养学生生物学核心素养的关键,是教师教得有学科价值、学生学得有生命感悟的关键。以生物学观念统领生物学教学,可以帮助学生从统一的视角理解分散的知识,将生物学不同领域的知识建构为一个体系,也有利于他们运用整体和辩证的观点去认识生命的物质性以及生物界的普遍联系、发展变化、对立统一和质量互变的规律,最终形成生物学核心素养。

观念是抽象的,通过简单的灌输或机械的记忆难以建立。基于生物学观念的教学,需要注意以下几个方面。

(一)教学基于概念,但更关注概念整合与观念形成

生物学观念具有统领性和抽象性,学生观念的形成不会一蹴而就,而是一个缓慢、逐渐深化的过程。如果课堂教学时将知识进行碎片化处理,就会导致学生对知识的理解不够完整和深刻,不利于观念的形成。基于生物学观念的教学需要立足事实形成概念,更需要关注概念之间的关联,升华形成观念。

在教学设计中,教师应在理解生物学观念的内涵和具体内容的基础上,形成对以观念为核心的学科逻辑结构的整体感知,从而确定生物学观念教学的整体目标。然后,梳理每个生物学观念对应的事实和概念,将整体目标分解、细化到具体的模块、单元和章节中,以便在具体的教学实践中有明确、可操作的观念目标。在课堂教学中,教师应为学生概念的形成提供大量的生物学现象、事实,将对生物学观念的领悟渗透到概念构建的过程中,并在一组有关联的概念教学后,适时地对观念予以外显和总结。这样,随着课程的螺旋上升,学生在对概念深度理解的基础上,就会认识到生物学知识体系独有的内在逻辑关系,逐步建立生物学观念。

(二)情境设置体现真实性、贯穿性、问题导向性

生物学观念需要在真实的情境中构建,真实、复杂的问题情境为学生学习抽象的观念提供了直观生动的形象,可以帮助学生在解决问题的过程中积极地应用生物学观念,实现观念的实践价值。但是,只负责教学起点或者某个环节的情境创设,仅仅把学生带入一种感兴趣或者思考的状态,造成了情境价值的有限性。基于观念的教学要实现从关注导入环节的情境设计,到关注问题解决型学习任务的真实情境的转变。首先,情境要真实,而不是教师虚构的,才能真正实现观念的生成性、现实性和个人性,达成学生个人知识的意义建构。其次,情境的创设,要从仅仅是激发学习兴趣、导入学习,转变为以真实情境贯穿某一内容、某一阶段的学习过程。第三,学习情境要设计出环环相扣的问题,不断激发学生理解和反思具体的事实和概念中所蕴含的独特的学科思维方式。在解决问题的过程中,学生构建概念、形成并应用观念,从而建立起与现实世界的联系,决策能力和问题解决能力也得到提升。

(三)评价革新,开发测评生物学观念的工具

基于观念的教学评价不能局限于学生对知识的占有,而应关注学科的育人价值。教师应关注学生在知识习得后发生了怎样的变化和发展,是否将知识内化为观念,并灵活地加以应用。在教学评价中,教师应为学生提供真实的情境,设计明确的任务。学生有机会提炼和应用生物学观念,内化的生物学观念就会转化成可观察和可测量的外在表现。教师还可以针对特定的生物学观念开发形成性评价的工具,对学生的表现和水平进行及时、持续的记录,为教学提供反馈。